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[欢乐吐槽] 一颗卫星,两个奇迹

本帖最后由 秂忢空 于 2017-8-13 23:48 编辑

一颗卫星,两个奇迹 ——“墨子号”量子卫星成功实现星地量子密钥分发和地星量子隐形传态


原创 2017-08-11

林梅 墨子沙龙

继6月16日“墨子号”量子科学实验卫星实现星地量子纠缠分发的论文以封面文章的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志后,8月份“墨子号”再传佳讯——中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队,联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京天文仪器有限公司、国家空间科学中心等,在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,利用“墨子号”量子卫星在国际上首次成功实现星地量子密钥分发和地星量子隐形传态。自此,量子卫星三大科学目标圆满完成,这代表我国向着覆盖全球的广域量子通信网络迈出了里程碑式的一步,并为空间尺度检验量子物理基本问题奠定了坚实的科学与技术基础。

两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。实际上,这两项任务在实际应用中互为补充——量子密钥分发通过量子加密的方式安全地传递经典信息,而量子隐形传态则可以传递那些必须用量子态描述的信息,这两者共同构成了量子通信的两个方面。

量子密钥分发(QKD)




通信的安全性是人类的基本需求。传统的公钥密码学之所以难以破解,通常依赖于某些数学问题的复杂度,而并非绝对安全。相比之下,量子密钥分发通过量子态的传输,在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥,利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密,它的安全性由量子原理保障,是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。


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2017-8-12 05:40



图1 星地量子密钥分发实验示意图



自从1989年,在32厘米的量子通道实验中第一次实现QKD,人类一直努力希望实现更长的安全传输距离,最终能在全球范围实现实用化。

而传统的最直接的方法是通过光纤或者近地面自由空间传输。但是,由于这两种信道不可避免的损耗、以及单光子量子信息不能像经典通信那样被放大,数百公里量级的量子密钥分发已是极限。

根据数据测算,通过1200公里的光纤,即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器,也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。为了实现安全、长距离、可实用化的量子通信,人们想到将卫星与地面链接,利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点,可以大大扩展量子通信距离。

事实上,利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案早在2003年就已提出,随之而来的是各种科学和技术上的验证。2004年,潘建伟团队的一场地面实验演示了自由空间双向量子纠缠分发,在水平距离13公里(大于大气层垂直有效厚度)外,纠缠可以保持,验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年和2013年,潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了又分别实现了首个百公里级的双向量子纠缠分发,以及模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验,全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。这些验证性的实验以及各种技术难关上的突破,保证了 “墨子号”卫星发射升空后可以顺利开展科学实验。

本次 “墨子号”量子卫星任务之一就是星地高速量子密钥分发——卫星发射量子信号,地面接收,即“下行链路”。实验采取的是三强度的诱骗态量子密钥分发协议,“墨子号”量子卫星过境时,与兴隆地面光学站建立光链路,随着卫星划过地面站上空,通信距离在645公里到1200公里之间变化。科学家在不同天气状况的23天里进行实验,结果表明,卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子,一次单轨实验可生成300kbit的安全密钥,平均成码率可达1.1kbps,误码率为1%~3%。值得一提的是,在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍),据估算,如果采用1200公里长的光纤,即使在最完美的条件下,想得到一个比特,也要等600万年。


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图 2 “墨子号”-兴隆地面站量子密钥分发实验现场图






这一实验的成功为后续构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。在此基础上,可以将卫星作为可信中继,让卫星存储着量子密钥,随着它的飞行,实现地球上任意两点的密钥共享,将量子密钥分发范围扩展到全球;此外,为了增加覆盖范围,人们计划在更高的轨道上发射多颗卫星,高低轨卫星配合,建造一个卫星星座,将基于卫星的QKD通过地面站连接到城际光纤量子保密通信网,进而构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

量子隐形传态(quantum teleportation)



量子通信的另一重要内容是量子隐形传态。在量子信息处理网络中,有些物质的信息(例如原子、分子、电子这类微观粒子信息或者量子计算中间过程产生的寄存器量子比特状态等)是不能用经典方式描述、测量和传递的,而量子隐形传态,就是利用量子纠缠,将任意未知量子态从一个发送者(Alice)传输到一个空间遥远的接收器(Bob),而不需要实际传输对象本身。

1993年,Bennett等人提出了“量子隐形传态(quantum teleportation)”。四年后,奥地利Anton Zeilinger小组第一次在实验上实现了量子隐形传态。

与量子密钥分发一样,既然是量子通信的重要内容,中国的团队也希望能将这一神秘的传输推广到更远距离,为人类的广域量子通信服务。随着2003年利用卫星实现远距离量子通信方案的提出,潘建伟和彭承志等人在国际上首次实验了水平距离13公里(大气层垂直厚度约为5-10公里)的自由空间双向量子纠缠分发,为量子隐形传态打下了基础。2010年,该团队在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。2012年,潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里级的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2015年,潘建伟团队首次实现了单个光子的多个自由度的量子隐形传态。


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图3  量子隐形传态实验示意图



本次地星量子隐形传态是“墨子号”量子卫星的另一大科学任务,也是人类第一次在空间尺度上开展量子隐形传态实验。实验中采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式,即“上行”链路。

“墨子号”量子卫星过境时,与海拔5100m的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例,地面向卫星发射纠缠光子,实验通信距离从500公里到1400公里,共采集到911个隐形传态事例,所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限,这明确显示了量子隐形传态的实现。据估计,若要在同样长度的光纤中重复这一工作,由于不可避免存在损耗,需要3800亿年(宇宙年龄的20倍)才能观测到1个事例。


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2017-8-12 05:46


图4 “墨子号”-阿里地面站量子隐形传态实验现场图



从科学的角度说,空间尺度量子隐形传态的实现为空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础,从应用的角度说,量子计算产生的量子比特状态传播离不开量子隐形传态,所以对于未来的全量子网络设想,大尺度下的量子隐形传态实现是一个巨大的进步。

星地量子密钥分发通过下行链路实现了经典信息的安全传输,而地星量子隐形传态通过上行链路实现了量子信息的可靠传送。两者互为补充,第一次在空间和地面之间进行双向量子连接,为未来实际应用的空间尺度量子通信网络打下坚实的基础。

自此, “墨子号”量子卫星全部三大既定科学目标已全部实现,可以说,不论在空间尺度量子物理基本问题检验上,还是在覆盖全球的量子通信技术发展上,我国都走在了世界的前沿。




http://mp.weixin.qq.com/s/oaUFIGar1P4v9qajeWt9uQ
墨子沙龙
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忍无可忍再忍一忍,俗不可耐还耐一耐
本帖最后由 秂忢空 于 2017-8-13 22:53 编辑

看!天上掉下个密码本!
原创 2017-08-14
林梅 墨子沙龙

爱看谍战剧的朋友们都知道“摩斯密码”,这年头,不出现摩斯密码,都不好意思自称谍战剧。其实,摩斯密码并不神秘,无非是用固定的符号表示特定的字母,这个对应关系写成一张表,就是一套密钥。后来,由于保密需要,摩斯密码又被传递信息的双方进行各种升级,比如,事先说好,每个符号代表的字母往后错两位才能得到真实字母神马的。

按照谍战剧情,这张写着密钥的文本往往费劲巴拉地藏在什么新闻里、小说里。但是,谁又能保证密码本不被窃取呢?密码本一旦被窃取,密文对敌方也就不再是秘密。

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2017-8-13 23:47


图一 北京邮电大学用摩斯密码编写的校训,翻译过来是“厚德博学敬业乐群”



后来,人们发明了另一种密钥。这种密钥呢,是一种非对称密钥,发送方加密用的密钥和接收方解密用的密钥不一样,加密密钥和解密密钥是一对,除了接受方,窃听的人要对加密密钥进行一些类似大数分解那样的复杂算法才能得到解码密钥,这样,即使加密密钥被窃取,窃听者可能也要埋头算上千百万年才能得到结果。安全性大了许多。

可是,非对称密钥也不是绝对安全的方案,它的保密性依赖于算法的复杂程度,而不是原理上绝对不可破解。现在看来需要计算千万年的算法,未来出现计算能力超强的计算(如量子计算机)或者数学上找到破解方法,被破解可能就是秒秒钟的事。

那么,有没有一套从原理上就无条件安全,无法被计算破解的“密码本”呢?有,它就是量子密钥。


无条件安全的量子密钥分发(quantum key distribution,即QKD)






为什么说量子密钥无条件安全呢?这是由量子物理的基本原理保证的。量子密钥是由微观量子态表示的,微观量子态不可分割、不可克隆,一旦对其进行测量,就会发生塌缩,也就是说,量子密钥分发在共享密钥的过程中,如果窃听者进行窃听,就会因为导致比如传输量子态的扰动而被发现。利用量子密钥对信息进行一次一密的严格加密,是从原理上保证的无条件安全。

BB84量子密码协议是第一个量子密码通信协议,由美国科学家Charles Bennett和加拿大蒙特利尔大学科学家Gilles Brassard于1984年提出, 后来,BB84协议及其各种变体广泛应用于实际的量子通信中。

在BB84协议下,信息的发送方发送一个个处于某种叠加态的单光子,接收方收到光子后,逐个进行测量。对于微观量子态来说,测量方式会影响测量结果,只有当接收方选用的测量方式与发送方一致时,才能得到与发送方一致的结果。

所以,接收方将接收每一个光子时的测量方法告诉发送方。发送方通过对比,保留下与自己测量方式相同的那些光子信号,告诉接收方丢弃错误的探测结果,这就形成了筛选量子密钥,之后经过对其中错误探测结果的纠错和隐私放大(通过对信道的评估,压缩被第三方可能获取的信息量),形成安全的量子密码。这个量子密钥不可能被偷偷窃取而不被发现,因为根据不可克隆原理,如果有人中途对光子进行拦截和测量,会改变光子的原本的状态。

量子密钥分发在原理上无条件安全,但是现实中,可能会由于一些器件不完美而存在漏洞。比如,光源也许并不是物理上完美的单光子源,探测器也可能由于技术上的不完美被攻击。所以后来,针对实际使用中,光子源、探测器等器件的漏洞,人们发明了各种BB84的增强版,比如诱骗态量子密钥分发协议、测量装备无关的量子密钥分发协议等等,从技术上渐渐堵住了量子密钥分发的漏洞,安全通信距离和成码率都得到了很大的提高,人们对量子密钥分发有了更大的信心,希望这种无条件安全的通信方式能传的更远,为我们的实际通信服务。


      从地面到天上








量子通信通常采用单光子作为物理载体,对于光的传播,人们最开始想到的当然是通过光纤或者直接在近地面的自由空间中。

特别是近些年,全球的光纤网络发展成熟,基于光纤的量子信道成了一个可行方案。为了扩大量子密钥分发的光纤传输距离,人们做了很多尝试,2016年,中国科学技术大学的潘建伟及其同事张强、陈腾云等人,清华大学王向斌以及中科院微系统所、济南量子技术研究院等单位科研人员合作,首次报导了404千米光纤的量子密钥分发试验记录,这项工作成为了QKD的最新光纤安全传输记录,足够搭建城际的量子通信网络。

可是,人们发现,大气或光纤这两种信道的损耗都随着距离的增加而指数增加,这种衰减成了量子通信实现长距离、实用化的一个难以逾越的障碍。与经典通信不同,量子通信里单光子的量子信息不能像经典通信那样被放大后再传输,所以,对大气或光纤来说,数百公里量级的量子密钥分发已是极限。人们测算过,通过1200公里的光纤,即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器,也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。因此,要想实现安全、长距离、可实用化的量子通信、甚至建立全球化的量子通信网络,必须找到一个损耗小的信道。

什么情况下损耗小呢?当然是真空。那么,什么地方既是真空又能覆盖整个地球呢?答案想必你也猜到——外太空。

外太空的真空环境对光的传输来说是最好的媒介,几乎不存在大气引起的衰减和退相干效应,而且,卫星可以非常方便地覆盖整个地球, 理论上,只要我们能够实现将光子传出大气层,通过卫星的辅助可以在地球上的任意两点之间建立起量子信道,从而大大扩展量子通信距离。

2003年,中国的潘建伟团队提出了利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案,这个方案是不是可行呢?这需要一些验证性实验来告诉我们,也需要很多技术上的过硬支持;
2004年,该团队在国际上首次实现了水平距离13公里(大于大气层垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分发,在科学上证实了经过远距离大气信道传输之后纠缠的特性仍能保持,也就是告诉学术界,穿过大气层进行量子通信是可行的;
2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项;
各种验证实验和技术攻关仍在继续;
2012年,潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发,证明了在双向链路衰减非常大的情况下,分发光子对的纠缠性质经过大气信道传输仍可保持;
2013年,该团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验,进一步验证了利用卫星实现量子通信的可行性。

另一方面,各种技术上的问题都等着团队拿出办法解决。比如,大气中的湍流对成像有影响怎么办?光的衍射会让长距离跋涉的光斑扩散得很大怎么办?飞速划过夜空的卫星要与地面站建立光学链路,地面站跟瞄精度如何保证?

当然,好莱坞故事总是告诉我们,这些问题都被科学家一一破解,最终,卫星成功发射,经过一系列在轨测试,故事的男女主角甜蜜拥吻,哦,不,卫星正式开展科学实验。


来自太空的密码本






“墨子号”量子卫星的实验任务之一就是星地高速量子密钥分发。采用的是卫星发射量子信号,地面接收的方式,即所谓下行链路。

夜幕下,“墨子号”量子卫星出现在地平线,指向河北兴隆地面光学站。很快,高精度的获取、指向和跟踪系统发挥作用,在卫星和地面站之间牢牢地建立光链路。紧接着,根据三强度诱骗态协议,卫星发送随机调制的信号态、诱骗态和真空态,和信标光一起,到达地面站被探测,随着卫星划过夜空,它与地面的通信距离在645公里到1200公里之间变化。在卫星即将没入另一边的地平线时,一个单轨实验完成。整个过程273秒。这次单轨实验生成了300kbit的安全密钥,平均成码率达到1.1kbps。



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2017-8-13 23:49


图2 “墨子号”-兴隆地面站量子密钥分发实验现场图



科研人员在不同天气的23个日子重复上面的实验,误码率为1%~3%。

尽管现在卫星进行QKD还受到种种限制,但是效率上比起光纤还是不可同日而语。在1200公里通信距离上,如果真用光纤,即使达到最完美的条件,得到一个量子比特也要600万年,星地量子密钥的传输效率比它高了20个数量级(万亿亿倍)。

这一重要成果被《自然》杂志的审稿人称赞为 “令人钦佩的成就”,得到了科学界和公众的广泛关注。但是,这仅仅是构建覆盖全球的量子保密通信网络的可靠的技术基础。下一步,团队的科学家还有更宏伟的计划:可以将卫星可以作为一个可靠的中继器,随着它的飞行,链接地球上任意两点进行密钥共享,就可以将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球,据说,未来的实验计划还包括中国与奥地利、意大利和德国之间的洲际安全密钥交换。

另外,基于卫星的QKD还可以通过量子通信地面站,与城际百公里级别的光纤量子保密通信网互联,构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

现在这颗低地球轨道卫星覆盖面积有限,每次经过地面站的工作时间也是有限的。为了增加覆盖范围,科学家还计划在更高的轨道上发射卫星,建造一个卫星星座。到时候,基于卫星的QKD可以覆盖更多的区域,效率会大大增加。
忍无可忍再忍一忍,俗不可耐还耐一耐
本帖最后由 秂忢空 于 2017-8-12 05:25 编辑


澄清两点.
1) 小编我不懂量子。只对其中数字感兴趣。看过这几篇作者林梅的科普,觉得发射一颗卫星做一个实验,测的一堆数据,其实玩的就是数字游戏。

2)所谓的墨子沙龙是2016年潘建伟院士提倡、中国科学技术大学上海研究院主办的科普论坛。也就是个王婆卖瓜的摊子



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2017-8-12 06:18
忍无可忍再忍一忍,俗不可耐还耐一耐
本帖最后由 秂忢空 于 2017-8-13 23:28 编辑

编按:

这篇文章已在墨子沙龙删了, 已经删了? 是的, 是删了。
因为露馅的一句话, “首先,从源头上,尽可能避开太阳光。”


NM, 原来,量子通讯最理想态是干掉太阳。干掉太阳!不谈政治。






白天也能“看到”的量子星座?

墨子沙龙   2017-08-09 23:11




白天也能“看到”的量子星座?科学家妙手添花,量子通信实验研究又进一大步世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”已在2016年8月成功发射,并且漂亮的完成了既定的三个任务,相关论文已被Science、Nature等顶级科研杂志接收,很快就将全部刊发。

但是,工作还远远没有结束,在小墨工作的中国科大上海研究院,中科大潘建伟团队的科学家们除了默默的为了“墨子号”正常工作保驾护航,他们还有一个更宏伟的计划。科学家们告诉小墨,“墨子号”只是庞大的“量子星座”计划中漂亮的第一步,接下来,他们计划发射多颗低轨或高轨卫星,建立起覆盖全球的实时量子通信网络。

为了实现这个宏伟的计划,科学家们的工作重中之重就是提高量子卫星的工作效率,对于天上卫星来说,白天的时间必夜晚长很多,所以最需要解决的,就是保障量子卫星在白天也能顺利、高效的工作。

从一颗到一群,建设量子星座没那么简单

对于现在这颗“墨子号”卫星来说,如果只有它这么一颗卫星拼命绕着地球跑啊跑,至少也得三天才能覆盖到地面每个站点。科学家们一直希望构建一种立体化的卫星网络,包括多颗低轨或高轨卫星,建立起覆盖全球的实时量子通信网络。科学家们说,这种网络叫做“量子星座”。

可是,建一个星座并不像小墨以为的那样多放几个“墨子号”就行,它有很多技术阻碍。比如说吧,现在的“墨子号”只能在看不见太阳的时候工作。为什么呢?因为量子信号是微弱的单光子,而太阳光太强了,白天阳光照射噪声是夜晚的5个数量级以上,分分钟就把信号光子淹没了。而且这个问题会随着卫星轨道升高变得越来越棘手,因为轨道越高,地影区就越小,卫星能躲开太阳的几率就越小(图一)。

现在,轨道高度500km的“墨子号”卫星被太阳光照射的概率是68%,而轨道高度36000km的地球同步轨道卫星被太阳光照射的概率达99.4%。此外,还有一个问题就是:远距离通信必然造成链路损耗很大,科学家估计,星座通信链路损耗典型值大于40-45dB,至少要保证在这么大的损耗、并且有阳光背景大噪声的情况下,仍能安全成码,咱们的“星座”才能真正用得起来。


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2017-8-14 00:20


⬆ 图一量子星座为基础的量子通信网络示意图

子图a:不同波段大气透过率曲线(1550nm波段约高于810nm波段),

子图b:太阳光谱分布图(1550nm波段辐照度约为810nm波段的1/5)

两个问题,三大对策,噪声去无踪,通信更出众

上部分提到的建设量子星座技术难点,总结起来,其实就是两个问题:降低背景噪声,提高信噪比。


为了压制日光带来的背景噪声,中国科大潘建伟团队的科学家想了很多办法,并在青海湖进行了地面实验,验证这些办法是不是可行。


首先,从源头上,尽可能避开太阳光。科学家发现,在太阳的光谱中,1550 nm及以上波段成分较少(图一b),大气散射对这个波段散射也较小,我们如果用这个波段的光子作为信号光,那么背景噪声不就相对低很多了吗?所以,这次科学家放弃了以往常用的700-900nm光子,而采用了1550nm波段的光子作为信号光,再对光学系统进行了优化,成功地令太阳光噪声降低超过一个数量级。

然后呢,科学家还在探测器上想办法。科学家希望能做成一种探测器,用来尽可能高效地探测单光子信号,同时尽可能将噪声滤掉。可是,目前性能最好的硅单光子探测器并不能来直接探测1550nm信号,同时1550nm这一波段现存的探测器性能都无法在外场环境满足实验需求,这可怎么办呢?


科学家研发了一种新型“上转换探测器”。这种探测器利用了一种被称之为非线性和频的作用,可以将一个1550nm的信号光和一个1950nm的泵浦光合并成一个860nm的和频光,三者一一对应,而产生的和频光不仅保持了1550nm信号光的量子特性,还可以被性能最优的硅单光子探测器探测,因此通过间接探测一个和频光子就可以测量到一个信号光子的存在。同时,在这一和频过程种也会产生其他的一些噪声,由于我们采用了1950nm的泵浦光,相比于传统的上转换探测器在和频过程的机理上就避免了部分噪声,随后,我们又选用了基于体布拉格光栅的窄带滤波技术,大幅滤除了剩余噪声。最终,科研人员利用这种新型的上转换单光子探测技术,不仅达到了传统上转换探测器的量子探测效率,还令噪声降低了约两个数量级。

第三个技术突破就是自由空间光束单模光纤耦合技术。在自由空间量子通信系统中,人们需要将自由空间的光子最大限度地传输到探测器中,同时尽量不引进噪声光子,传统的做法是增大接收视场提高接收效率,但此时引入噪声也较大。使用单模光纤耦合接收自由空间光束,缩小接收视场进行空间滤波能有效抑制噪声,但是,往往事难两全,以往的单模光纤耦合效率又极低,只有0.1%,难以满足量子通信的需要。而在这次的地面实验中,科研人员发展改进了原有的自由空间光束单模光纤耦合技术,优化光路,采用最少的光学元件来搭建系统,有效减少光学衰减和畸变,同时,还发展了一套高速的光学跟踪系统来稳定耦合效率,最终不仅让降低噪声约两个数量级,还让耦合效率达到了5-30%。

地上的一小步,必将成为天上的一大步

方案有了,如何验证方案是否有效?就像墨子号卫星发射前,团队成员们在青海等地无数次的测试一样,这次,试验的场地仍然选在了青海。




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2017-8-14 00:24








图二日光条件下53公里量子密钥分发实验鸟瞰图





在美丽的青海湖两岸,发送方Alice和接收方Bob相距53公里,在BB84协议下,发送量子密钥[5]。而且,这是个升级版的BB84协议——诱骗态量子密钥分发协议。

这个升级版的协议由是Won-Young Hwang提出、Xiang-Bin Wang, Hoi-Kwong Lo等人发展完善的量子密钥分发方法。为什么要有这个升级版呢?这是因为,理论上说,量子密钥分发要求光源发射单光子,但由于真单光子源不成熟实际上多采用弱相干光子源,而再弱的相干光都存在多光子成分,可能发出两个或更多光子。针对弱相干光的这一特点,攻击者可以采取所谓的光子数分离攻击(photon-number splitting,PNS)攻击,窃取一个光子,剩余光子传给接收者,在不被发现的情况下就窃取了信息。

诱骗态量子密钥分发协议就是用来抵御PNS攻击的。清华大学物理系的王向斌教授做过一个有趣的比喻:在量子密钥分发中,单光子响应就是“健康的井水”,多光子响应就是“混在井水里的致命毒液”,而有了诱骗态协议,人们可以在充分“蒸馏”掉 “致命毒液”的前提下,尽可能多地得到安全成码率。

这次的地面实验也是如此,发送方Alice随机调制不同光强的信号态、诱骗态和真空态,光脉冲穿过青海湖上方的自由空间,发送给对岸的Bob,光子通过我们前面说到的单模光纤进入Bob的探测系统,Bob选取测量基矢,利用上转换探测器探测后,发送到时间数字转换器进行记录分析。

实验结果如何呢?

研究小组在日光下进行了多次实验,分别得到了不同条件下的误码率、成码率结果。结果表明,在全链路衰减48dB(大于星地、星间链路衰减)情况下,面对强大的太阳光噪声,误码率最低可以达到1.65%,此时的安全密钥成码率为150bps,这意味着,太阳光背景下开展星地、星间量子密钥分发是可行的,人们向下一步构建基于量子卫星的星地、星间量子星座迈出了一大步。


小墨悄悄告诉你们一个秘密,这次实验其实受到了地面各种因素限制,所以远没有达到技术极限,各项技术的使用都还有改善的空间。所以,等这些技术真的用到未来的星座网络,小墨相信安全传输距离和成码率都还会有妥妥的进步哒。

墨子沙龙

一起分享科学世界的点滴

忍无可忍再忍一忍,俗不可耐还耐一耐
本帖最后由 秂忢空 于 2017-8-13 23:06 编辑

爱因斯坦和玻尔的世纪争论,在中国的“墨子号”量子星上得到检验
原创 2017-06-16 林梅 墨子沙龙


作者:林梅
编辑:白泽

爱因斯坦和玻尔留给后人的


世纪谜题



量子力学建立初期,“纠缠”这个现象就引起了所有物理学家的好奇,爱因斯坦将其称之为“遥远地点之间的诡异互动”。量子力学中的所谓纠缠是这样一种现象:两个处于纠缠态的粒子可以保持一种特殊的关联状态,两个粒子的状态原本都未知,但只要测量其中一个粒子,就能立即知道另外一个粒子的状态,哪怕它们之间相隔遥远的距离。过去的大半个世纪里,这种现象背后的本质一直深深困惑着科学家们。

上世纪,关于纠缠现象的看法将物理学家划分成了两派:以玻尔为代表的哥本哈根学派认为,对于微观的量子世界,所谓的“实在”只有和观测手段连起来讲才有意义;但爱因斯坦等科学家无法接受这种观点,他们认为量子力学是不完备的,测量结果一定受到了某种“隐变量”的预先决定,只是我们没能探测到它。1935年,爱因斯坦和Podolsky及Rosen一起发表了一篇题为《Can quantum mechanics description of physical reality be considered complete》的文章,论证量子力学的不完备性,通常人们将他们的论证称为EPR佯谬或者Einstein定域实在论。

玻尔和爱因斯坦为此争论了50年,直到他们最后去世问题也没有得到解决,一直吸引着后人想要去验证。

如何验证呢?



说到定域实在论,其实包含了两方面的含义:第一,物理实在论:任何一可观测的物理量必定客观上以确定方式存在,如果没有外界扰动,可观测的物理量应具有确定的数值;第二,定域因果性:如果两个事件之间的四维时空是类空间隔的,则两个事件不存在因果关系。基于这个理解,1964年,爱尔兰物理学家贝尔提出了著名的“贝尔不等式”,该定理对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制[1]。如果实验上贝尔不等式不成立,则意味着从定域实在论出发的预期不符合量子力学理论,也就是说,量子世界本身就是概率性的。

一直以来,人们设计了各种实验方案验证贝尔不等式正确与否,陆陆续续地,一些实验小组的结果倾向于支持贝尔不等式的破坏——即证明了量子力学的正确性。第一个真正确定性的实验是由法国物理学家阿斯派克特做出的,他们在上世纪七十年代做出的三个实验给出了量子力学非定域性的明确结论,但是最初的这些实验验证仍然存在漏洞。近年来不同国家的实验小组都尝试在实验中逐步关闭了局域漏洞、自由选择漏洞和探测效率漏洞,所有的实验结果都支持量子力学的结论,证明定域实在论是错误的。

Bell不等式走出实验室,


飞向更远处



Bell不等式的破坏在实验室被验证,那么在更大的尺度上情况又如何呢?如果人们能在更远的距离验证量子纠缠的存在,也就意味着在更大的空间尺度上验证量子力学的正确性。于是,人们想要带Bell不等式往更远的地方飞去。但是在更大尺度上进行实验,存在一个拦路虎——衰减。这是什么意思呢?在实际实验中,人们常常用一种叫做“量子纠缠分发”的实验验证Bell不等式,它是把制备好的两个纠缠粒子(通常为光子)分别发送到相距很远的两个点,通过观察两个点的测量结果是否符合贝尔不等式来验证量子力学和定域实在论孰对孰非。由于制备和发送的是一对对单光子,量子的不可复制性又决定了单光子的信号是不可放大的,光纤固有的光子损耗导致光量子传输很难向更远距离拓展。在地球表面,百公里级别的量子纠缠分发几乎已经是极限。

怎么办呢?有两种方案,一种是利用量子中继,一个个中继站就有点像古时候的驿站,一段段地传递光子,但是目前来说量子中继的研究还是受到了量子存储的时间和效率限制;另一个方案就是利用卫星实现量子纠缠分发,外太空的真空环境对光的传输几乎不存在衰减和退相干效应。星地间的自由空间信道损耗小,甚至理论上,利用卫星,科学家们可以在地球上的任意两点之间建立起量子信道,有可能在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。

可喜的是,这方面,中国人走在了世界前列。

早在2003年,中国的潘建伟团队就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案,并开始了初步验证。团队的研究人员认为,要想证明卫星实现量子纠缠分发这事儿可行,就必须要证明光子能在穿透大气层后仍保持相干性,于是,他们开始在合肥大蜀山做实验。这个实验里,发送方在大蜀山,两个接收点分别在几公里之外的肥西农户家和中科大西校区。实验在国际上首次实现了水平距离13公里(大气层垂直厚度约为5-10公里)的自由空间双向量子纠缠分发,证明了在经过远距离大气信道传输之后纠缠态仍能“存活”,另一方面,这个传输距离超过了大气层的等效厚度,证实了远距离自由空间量子通信的可行性。



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图1


2005年水平距离13公里的自由空间双向量子纠缠分发




2010年,该团队又在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。基于前期关键技术准备,2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年,潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个超过102km的量子纠缠分发实验。实验中衰减最高达80dB,一方面在更大尺度上验证了经过大气信道传输纠缠特性仍然存活,另一方面验证了在衰减非常大的情况下纠缠特性能够保持,进一步验证了卫星-地面纠缠分发的可行性。

随后的几年,该团队经过艰苦攻关,克服种种困难,最终研制成功了“墨子号”量子科学实验卫星。在亿万人的目光中,于2016年8月16日成功将“墨子号”送入轨道。经过四个月的在轨测试,2017年1月18日正式交付开展科学实验。


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图2


墨子号量子科学实验卫星




星地量子纠缠分发作为“墨子号”卫星的三大科学实验任务之一,是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。

“墨子号”量子科学实验卫星上有三台光学有效载荷,量子纠缠光源制备成对的纠缠光子,并由两台光学天线发送。当卫星过境时,两台望远镜分别指向德令哈和丽江地面站,两个地面站的接收系统按照卫星飞行角速度,随着卫星转动,使得卫星同时与两个地面站建立量子信道,将纠缠光子发送到地面站。紧接着地面站对光子进行纠缠测量,符合统计数足够多的情况下,即可验证贝尔不等式成立与否。



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图3




此次实验中,两个地面站相距1200公里,卫星到两个地面站的总距离平均为2000公里,地面站跟瞄精度达到0.4 urad,地面站系统接收效率大于20%。卫星上的纠缠源每秒可产生800万个纠缠光子对,建立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间建立量子纠缠,使得大量的统计数据可以在很短时间内得到。如果在这么长的距离上用光纤传输光子,即使选用超低损耗光纤,分发一对光子需3万年。

实验中,两个光子被拉开足够大的距离,同时高精度的实验技术保证两地的独立测量时间间隔足够小,满足了Bell不等式测量中“类空间隔”[2]的测量要求,关闭了局域性漏洞和测量选择漏洞。实验结果表明,以4倍标准偏差违背了贝尔不等式,也就是说,以超过99.9%的置信度在千公里距离上验证了量子力学的正确性。实现了严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

相关成果以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。除了量子纠缠分发实验外,“墨子号”量子科学实验卫星的其它重要科学实验任务,包括高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等,也在紧张顺利地进行中,预计今年会有更多的科学成果陆续对公众发布。


[1]Bell不等式有多种著名的推广,考虑到实验的现实因素,Bell不等式提出的五年后, John Clauser、Michael Horne、Abner Shimony、Richard A. Holt提出了一个CHSH不等式,后来的实验中对Bell不等式的实验主要就是验证CHSH不等式。
[2]类空间隔是指两事件的时空间隔满足“两事件之间不可能用低于光速的信息进行联系。


感谢中国科学技术大学合肥微尺度实验室张文卓副研究员、邹密及李东东对本文成文的帮助(转载时请务必保留,谢谢)。


http://mp.weixin.qq.com/s/Q8B6K9o9vh1d2fjB9wz-DA

[/table]墨子沙龙
忍无可忍再忍一忍,俗不可耐还耐一耐
本帖最后由 秂忢空 于 2017-8-13 23:37 编辑



自己对照着看吧。


6月文说,卫星上的纠缠源每秒可产生800万个纠缠光子对,到了八月文就成了 卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子。我懂了4000/800=5 !每个纠缠光子对由5个光子组成。

NM, 光子还有3备胎哦



(5楼, 6月文)

此次实验中,两个地面站相距1200公里,卫星到两个地面站的总距离平均为2000公里,地面站跟瞄精度达到0.4 urad,地面站系统接收效率大于20%。卫星上的纠缠源每秒可产生800万个纠缠光子对,建立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间建立量子纠缠,使得大量的统计数据可以在很短时间内得到。如果在这么长的距离上用光纤传输光子,即使选用超低损耗光纤,分发一对光子需3万年




到底是3万年还是下面8月文说的的600万年啊。 200x 在林梅你哪儿是合理误差吗。



(1楼, 8月文)


本次 “墨子号”量子卫星任务之一就是星地高速量子密钥分发——卫星发射量子信号,地面接收,即“下行链路”。实验采取的是三强度的诱骗态量子密钥分发协议,“墨子号”量子卫星过境时,与兴隆地面光学站建立光链路,随着卫星划过地面站上空,通信距离在645公里到1200公里之间变化。科学家在不同天气状况的23天里进行实验,结果表明,卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子,一次单轨实验可生成300kbit的安全密钥,平均成码率可达1.1kbps,误码率为1%~3%。值得一提的是,在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍),据估算,如果采用1200公里长的光纤,即使在最完美的条件下,想得到一个比特,也要等600万年




600万年有多少秒? 一年有3 的10^7秒 (7个数量级), 6x10^6 x 3x10^7 =1.8x10^14. (600万年有14个数量级秒, 才能实现地面A和B之间用光缆传1 bits光子,假设地面站A和B距离1200KM 来计算 )没错吧?
星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级
换成人话就是:通过墨子卫星通讯接力,每秒能传(10^20-14) 10^6=1Mbp 的信流在相距1200公里的地面站A和B两地
之间。 NM,每秒1M可以实用通讯了呀。墙里的童鞋你不翻墙来联接海外网站时比这个速度快的请举手!

58年大跃进潘老院士你穿越没?

等等, 上面两文几次提到的1.1kbs 啥意思?难不成又是1000x 误差!?
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本帖最后由 秂忢空 于 2017-8-12 06:18 编辑

至于如何确认接受的就是墨子发送的光子,需要绝对黑暗吗? 俺过路的正好点根烟,那点儿亮光是不是就毁了你的实验? 别急,等我抽完嘛, 再说,你可以等下次卫星过境啊? 脑洞不能再开了。
忍无可忍再忍一忍,俗不可耐还耐一耐
100%的骗局, 只会发生在那儿。
还要无商业价值地忽悠30年。
本帖最后由 秂忢空 于 2017-8-13 22:44 编辑

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本帖最后由 秂忢空 于 2017-8-14 00:00 编辑
比如说吧,现在的“墨子号”只能在看不见太阳的时候工作。为什么呢?因为量子信号是微弱的单光子,而太阳光太强了,白天阳光照射噪声是夜晚的5个数量级以上,分分钟就把信号光子淹没了。而且这个问题会随着卫星轨道升高变得越来越棘手,因为轨道越高,地影区就越小,卫星能躲开太阳的几率就越小(图一)。
现在,轨道高度500km的“墨子号”卫星被太阳光照射的概率是68%,而轨道高度36000km的地球同步轨道卫星被太阳光照射的概率达99.4%。此外,还有一个问题就是:远距离通信必然造成链路损耗很大,科学家估计,星座通信链路损耗典型值大于40-45dB,至少要保证在这么大的损耗、并且有阳光背景大噪声的情况下,仍能安全成码,咱们的“星座”才能真正用得起来。


自古四楼出叛徒!


为什么要有这个升级版呢?这是因为,理论上说,量子密钥分发要求光源发射单光子,但由于真单光子源不成熟实际上多采用弱相干光子源,而再弱的相干光都存在多光子成分,可能发出两个或更多光子。针对弱相干光的这一特点,攻击者可以采取所谓的光子数分离攻击(photon-number splitting,PNS)攻击,窃取一个光子,剩余光子传给接收者,在不被发现的情况下就窃取了信息

NW, 不是101%安全吗?
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